[发明专利]一种基于摄像机的飞行员头部姿态检测方法

说明书

本发明涉及一种基于摄像机的飞行员头部姿态检测方法。飞行员头部佩戴的耳机上固定一个镜头朝上的摄像机；在摄像机镜头正上方的驾驶舱内部安装有一幅标识图，该标识幅为黑底白色符号，符号为荧光材质；在使用该方法检测飞行员头部姿态时，首先飞行员会摆正头部姿态，然后按下对准开关，进而通过摄像机获取一幅标准的标识图像；随后飞行员头部摆动时，摄像机实时拍摄标识图，与存储的标准状态下的标识图像并进行叠加以及提取特征值等一系列处理，通过飞行员头部位置与图像位置之间的换算关系，计算当前飞行员头部的姿态，包括头部的俯仰角、横滚角和航向角。本方法检测结果精度高，速度快，适合小型通用飞机飞行员的头部定位，无需更改飞机航电系统，成本低。

技术领域

本发明涉及一种飞行员头部姿态检测方法，特别是一种基于摄像机的飞行员头部姿态检测方法。

背景技术

随着科学技术的进步以及经济水平的提高，2-5座的小型飞机市场越来越大，通航飞机的飞行员也越来越多。小型飞机出于成本和驾驶舱空间的考虑，不会安装大型客机上安装的增强态势感知能力的航电系统，比如平视显示器等。为了提高小型飞机起降安全性，会有越来越多的基于头戴式的态势感知系统得到应用，比如头戴式平视显示器。头戴式平视显示器上会显示当前的飞机姿态信息以及依据地形数据库渲染的外部的三维地形信息，而为了正确的显示这些信息而不受飞行员头部移动的影响，需要实时的获取飞行员的头部姿态信息，以对显示的飞机姿态信息以及三维地形信息进行校正。目前，对于头部姿态信息的获取主要使用陀螺仪，或者电磁定位装置；前者成本比较昂贵，不符合小型飞机的定位，而后者需要对驾驶舱进行改造，同时无线电信号也有可能干扰飞机其他航电设备正常运行。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出一种基于摄像机的飞行员头部姿态检测方法，该方法精度高，价格便宜而且不需要对驾驶舱进行改动。

实现该方法的装置包括在飞行员头戴耳机上固定的一个镜头朝上的摄像机，耳机侧有一个对准开关，以便于在开始使用此方法时，便于进行对准操作；在摄像机镜头正上方的驾驶舱内部安装有一幅标识，该标识为黑底白色符号，符号为荧光材质；一台计算机，用于获取摄像机拍摄到的图像并进行处理，计算出飞行员的头部姿态。在使用该方法检测飞行员头部姿态时，首先飞行员会摆正头部姿态，然后通过摄像机获取一幅标准的标识图像；在飞行员头部姿态检测时，摄像机实时拍摄到标识图，与存储的标准状态下的标识图像并进行比对，确定当前摄像机拍摄到的画面与初始图像之间的位置关系；随后，通过飞行员头部位置与图像位置之间的换算关系，计算当前飞行员头部的姿态，包括头部的俯仰角、横滚角和航向角。

基于上述原理，本发明的技术方案为：

所述一种基于摄像机的飞行员头部姿态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：飞行员摆正头部位置，通过安装在飞行员头戴耳机上的镜头朝上的摄像机拍摄处于摄像机镜头正上方的方形标识，得到基准图；方形标识中具有第一标识和第二标识，第一标识和第二标识具有不同辨识特征，计算机建立以基准图中心为原点，以基准图边缘方向为X方向和Y方向的坐标系；基准图对应的飞行员头部姿态的俯仰角、横滚角和航向角均为0，X方向对应飞行员头部的横滚角，Y方向对应飞行员头部姿态的俯仰角；

步骤2：摄像机在工作过程中实时拍摄标识图，并将实时拍摄标识图与基准图进行叠加；

基准图中第一标识中心在坐标系中处于A点，坐标为(a,b)，第二标识中心在坐标系中处于C点，坐标为(e,f)；实时拍摄的标识图中，第一标识中心在坐标系中处于B点，坐标为(c,d)，第二标识中心在坐标系中处于D点，坐标为(g,h)；

得到对应该实时标识图的飞行员头部姿态为：

横滚角α＝P*(c-a)，俯仰角β＝P*(d-b)，其中P为预先确定的常数；

航向角通过以下过程得到：将C点在X轴移动(c-a)，Y轴移动(d-b)，得到C1点，BC1与BD之间的夹角即为航向角。